Handelsblatt

MenüZurück
Wird geladen.

06.03.2011

11:02 Uhr

Auto-Leichtbau

Karbon - die schwarze Magie

VonFranz Rother
Quelle:WirtschaftsWoche Online

Neue Verfahren machen es möglich, Kohlefaser-Bauteile für Autos in Minuten zu fertigen. Damit können ultraleichte Fahrzeuge nun in Serie gebaut werden.

VJM04-Rennwagen des Force India Teams: Wettbewerbsfähige Formel-1-Autos bestehen schon seit Jahren zu guten Teilen aus superleichten Kohlefasermatten. Quelle: dpa

VJM04-Rennwagen des Force India Teams: Wettbewerbsfähige Formel-1-Autos bestehen schon seit Jahren zu guten Teilen aus superleichten Kohlefasermatten.

Der Motor-Rennsport schätzt den Wunderstoff Karbon schon seit mehr als 30 Jahren. Er ist steifer als Stahl, jedoch rund fünfmal leichter und thermisch stabil. Hohe Steifigkeit und Festigkeit sorgen für Crashsicherheit, das geringe Gewicht für gute Beschleunigungswerte und einen niedrigen Spritverbrauch. Bis auf Motor, Getriebe und Radträger sind Formel-1-Autos deshalb heute ausschließlich aus Kohlefaser gefertigt. Diese sind nur fünf bis acht Mikrometer stark, somit noch feiner als Frauenhaar.

Üblicherweise werden 1.000 bis 20.000 Fasern, die aus Pech, Zellulose und Polyacrylnitril bestehen und durch Pyrolyse in Kohlenstoff umgewandelt werden, zu Garnen verzwirnt und zu Matten verwebt.

Beim Formel-1-Rennwagen besteht das Monocoque, das Fahrer und Motor aufnimmt, allein aus etwa 1.500 dieser Kohlenfasermatten, ein Frontflügel aus etwa 20 Teilen.

Mit Lamborghini baut nun auch ein Serienfahrzeug-Hersteller eine Fahrgastzelle, die fast komplett aus Carbon besteht. Zum Einsatz kommt sie im Murcielago-Nachfolger Aventador. Quelle: PR

Mit Lamborghini baut nun auch ein Serienfahrzeug-Hersteller eine Fahrgastzelle, die fast komplett aus Carbon besteht. Zum Einsatz kommt sie im Murcielago-Nachfolger Aventador.

In einem zeit- wie kostenaufwendigen Verfahren werden die schwarzen Matten in Reinraum-Atmosphäre zugeschnitten, per Hand in Formen gelegt, satt mit Epoxidharz getränkt und dann bei Temperaturen um 150 Grad in einem großen Autoklaven, einer Art Ofen, bei Überdruck fünf bis sechs Stunden lang "verbacken", um anschließend in Ruhe auszukühlen. Je nach Komplexität und notwendiger Festigkeit des Bauteils kann der gesamte Prozess vier Tage dauern.

Für eine Jahresproduktion von 100.000 Strukturbauteilen aus karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), wie sie für Straßenfahrzeuge benötigt werden, ist ein derartiges Verfahren nicht nur zu zeit-, sondern wegen des hohen Anteils von Handarbeit auch zu kostenintensiv.

Jüngstes Beispiel für extremen Leichtbau: Der Lamborghini Aventador bei seiner Präsentation auf dem Genfer Autosalon Quelle: ampnet

Jüngstes Beispiel für extremen Leichtbau: Der Lamborghini Aventador bei seiner Präsentation auf dem Genfer Autosalon

Neue Verfahren ermöglichen es nun, die Teile vollautomatisch und beinahe im Minutentakt herzustellen. Dabei werden keine vorkonfektionierten CFK-Gewebematten verbacken, sondern entweder Endlosfasern von der Rolle oder klein gehäckselte Faserschnipsel. Ein Bauteil soll bei dem sogenannten Harz-Injektionsverfahren schon nach 360 Sekunden fertig sein. Das neue Spaltimprägnierverfahren, das an der RWTH Aachen entwickelt wurde, verspricht sogar Zeiten von 180 Sekunden.

Karbon, schwarze Magie im Autobau?

Was ist Karbon?

Mit Karbon bezeichnet man in der Automobilherstellung Bauteile, die aus industriell hergestellten Fasern kohlenstoffhaltiger Ausgangsmaterialien stammen. Dabei ist die einzelne Faser zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Karbonfasern haben dennoch eine hohe Zugfestigkeit. Um sie für den Einsatz im Fahrzeugbau zu veredeln, müssen die Stränge erst oxidiert und dann bei 1.500 Grad Celsius karbonisiert werden. Für den automobilen Einsatz werden sie anschließend mit Siliciumcarbid kombiniert. Aus den Fasern werden maschinell Gewebe geflochten, rund 500.000 Fasern können dabei pro Quadratzoll ineinander verflochten sein. Diese Gewebematten werden in mehreren Lagen übereinander zu Bauteilen z.B. im Autoklav-Verfahren bei ca. 150 Grad gebacken. Zur Anwendung kommt im Autobau auch verstärkt CFK, das ist kohlefaserverstärkter Kunststoff.

Was sind die Vorteile?

Karbon ist hochfest und sehr leicht. Im BMW M3 spart ein Karbondach fünf Kilo Gewicht an einer für den Fahrzeug-Schwerpunkt relevanten Stelle ein. Beim getunten Mini Cooper S bringt eine Karbon-Motohauben-Diät schon 20 Kilo. Karbon absorbiert außerdem z.B. bei einem Auffahrunfall als Bauteil extrem viel Energie, deswegen wird es bevorzugt im Rennsport eingesetzt. Das Material kann in fast jede beliebige Form gepresst bzw. gebacken werden und es rostet nicht. Bei künftigen Elektroautos ist es wichtig, die Karosserien leichter zu machen, da die Batterien sehr schwer sind.

Warum ist die Herstellung so teuer?

Ein Beispiel: McLaren und Mercedes haben extra für die Produktion des Kofferraumdeckels des SLR Roadsters ein Pressverfahren entwickelt, bei dem die Herstellung von Karbonteilen kaum noch länger dauert als die von Stahlelementen. Doch müssen andere Komponenten mit dem Skalpell ausgeschnitten und aus bis zu 20 Schichten modelliert werden, bevor sie im so genannten Autoklaven bei bis zu 150 Grad unter hohem Druck wie im Schnellkochtopf gebacken werden. Bis zu 20 Stunden für ein Bauteil sind dabei keine Seltenheit. Daher würde eine A-Klasse aus Karbon mindestens doppelt so viel kosten wie eine herkömmliche - und hätte trotzdem keine Chance auf eine Serienfertigung: Die erforderlichen Stückzahlen sind bislang in der Karbon-Fertigung einfach nicht möglich.

Nachteile im Fahrzeugbau

Karbon ist durch die aufwendige Herstellung sehr teuer. Ein Nachteil für den Einsatz im Straßenverkehr ist die Eigenschaft des Materials, bei einem Unfall unkontrolliert zu zersplittern. Die teils sehr scharfen Kanten können zu schweren Verletzungen bzw. Beschädigungen führen. Außerdem kann Karbon nicht einfach repariert werden, - etwa durch schweißen, spachteln, schrauben -, was in jedem Fall einen (teuren) Austausch eines beschädigten Bauteils nötig macht. Dazu kommt die noch ungelöste Frage des Recyclings.

Direkt vom Startbildschirm zu Handelsblatt.com

Auf tippen, dann auf „Zum Home-Bildschirm“ hinzufügen.

Auf tippen, dann „Zum Startbildschirm“ hinzufügen.

×